L'antagonisme entre la capacité d'émission d'informations haut débit (linéarité) et le rendement énergétique, dans le contexte des émetteurs radio, est l'axe des travaux de cette thèse. Nous proposons une architecture matérielle basé sur circuits FPGA1 pour l'implémentation de fonctionnalités de prédistorsion numérique (DPD) pour la linéarisation d'amplificateurs RF. Nous articulons nos approches à partir de la séparation entre les processus de prédistorsion et d'adaptation. Ainsi, nous pouvons proposer une structure matérielle -le BPC2 ou Cellule Basique de Predistorsion- bien adaptée pour l'implémentation du module de prédistorsion. Le module de prédistorsion basé sur BPC peut être reconfigurable au besoin, et, en plus, il reste indépendant de la méthodologie particulière de dérivation de la fonction de prédistorsion. Afin d'effectuer des validations, deux prototypes permettant de tester des stratégies de prédistorsion performantes et novatrices ont été mis en oeuvre. Dans un premier temps, nous avons implémenté un système DPD basé sur la théorie des systèmes hyperstables sur une plateforme mixte FPGA/DSP3. En complément des résultats expérimentaux, nous rentrons dans le détail des fonc- tions complémentaires à la prédistorsion et l'adaptation nécessaires pour produire la prédistorsion. Le deuxième prototype adresse la linéarisation et la compensation des e®ets mémoire de l'amplificateur RF. Nous présentons et validons expérimentalement une structure de prédistorsion du type NARMA4, implémentée au moyen d'un réseau de cellules BPC. Au passage, nous étudions la consommation de la prédistorsion et son impact sur le rendement. Si l'utilisation de la prédistorsion s'avére inévitable pour contrer les effets mémoire, nous proposons de dégrader la Classe de l'am- plificateur, dans le but d'obtenir un émetteur aussi linéaire mais plus performant énergétiquement. Finalement, au delà de la prédistorsion seule, nous proposons, analysons et va- lidons expérimentalement un sys tème de prédistorsion + commande dynamique de l'alimentation de l'amplificateur RF. La structure de traitement du signal numérique développée, permet de : 1/prédistordre le signal et 2/commander des modulateurs d'amplitude lents (par rapport à la largeur de bande de l'application cible, mais ayant de forts rendements de conversion). L'inclusion de capacités de pilotage de l'alimentation autour de la prédistorsion s'avère peu coûteuse et permet d'atteindre des rendements améliorés sans perte de linéarité.

Ces travaux de recherche concernent les amplificateurs RF de puissance pour stations de base. La technologie actuelle de transistor RF la plus compétitive, le LDMOS, est confrontée à l’augmentation constante du débit et à la concurrence d’autres technologies comme le HEMT GaN. Un autre challenge est l’intégration de l’adaptation de sortie réalisée en dehors du boîtier qui n’est plus compatible avec les futurs standards combinant jusqu’à soixante-quatre amplificateurs de puissance proches les uns des autres.Une première piste envisagée dans cette thèse est le substrat Si à haute résistivité. A partir de simulations puis de mesures sur plaques, l’amélioration du facteur de qualité des éléments passifs a été démontrée mais ces premières investigations ne permettent pas l’intégration de l’adaptation de sortie avec la technologie actuelle bien que les résultats soient très encourageants. Les challenges technologiques de ce nouveau substrat ont mené à considérer la structure différentielle pour les amplificateurs. En plus des avantages connus de cette configuration, nous avons montré que la conception d’un amplificateur de puissance différentiel montre une amélioration importante de la bande instantanée répondant au besoin d’un débit toujours plus élevé. Cette amélioration ne dégrade pas les autres performances en gain, rendement et puissance de sortie. Dans la continuité de cette thèse, les perspectives concernent la conception d’un amplificateur de puissance sur substrat SI à haute résistivité combinée à une structure différentielle qui pourrait permettre une avancée majeure sur toutes les performances tout en gardant l’avantage du faible coût du LDMOS Silicium en comparaison des autres substrats. / This research concerns the RF power amplifiers for base stations. The current most competitive technology of RF transistor, the LDMOS, faces the constantly increasing data rate and competition from other technologies such as GaN HEMT. Another challenge is the integration of the output matching made outside of the package which is not compatible with future standards combining up to sixty-four power amplifiers close to each other. A first track proposed in this thesis is the high resistivity Si substrate. From simulations and measurements on wafers, improved passive elements quality factor has been demonstrated but these initial investigations do not allow the integration of the output matching with the current technology, although the results are very encouraging. The technological challenges of this new substrate led to consider the differential structure for amplifiers. Besides to the known advantages of this configuration, we have shown that the design of a differential power amplifier shows a significant improvement in the instantaneous band width meeting the need for higher data rate. This improvement does not degrade other performance as gain, efficiency and output power. In continuation of this thesis, the perspective concerns the design of a power amplifier on a high resistivity Si substrate combined with a differential structure that could enable a major advance over all performance while keeping the advantage of low cost of LDMOS silicon compared to other substrates.

Silicon-on-Insulator (SOI) CMOS technology constitutes a good candidate for mixed signal RF CMOS applications. Due to its low junction capacitance and reduced leakage current, SOI provides reduced static and dynamic power consumption of the digital logic combined with increased cut-off frequencies. Moreover, in terms of passive device integration the major benefit of SOI when compared to the conventional bulk is the possibility to use a high resistivity substrate which allows a drastic reduction of substrate losses allowing a high quality factor of the passive devices. Another issue is the harsh environment applications. Electronics capable of operating at high temperatures are required in several industrial applications, including the automobile industry, the aerospace industry, the electrical and nuclear power industries, and the well-logging industry. The capability of SOI circuits to expand the operating temperature range of integrated circuits up to 300°C has been demonstrated. SOI devices and circuits present advantages in this field over bulk counterparts such as the absence of thermally-activated latch up and reduced leakage current. In this context, various topologies of integrated transmission lines and spiral inductors implemented on standard and high substrate resistivities have been analyzed over a large temperature range. The temperature behavior of the SOI transistors is presented. The main figures-of-merit of the SOI MOSFETs are analyzed and the extraction of the extrinsic and intrinsic parameters of the small signal equivalent circuit is performed. Also, an example of RF circuit applications of the SOI technology, based on a fully integrated Low-Noise Amplifier for low-power and narrow-band applications, is investigated and characterized at high temperature. The main figures-of-merit of the designed circuit are extracted and discussed. The good results show that the SOI technology is now emerging as a good candidate for the realization of analog integrated circuits for low-power and high-temperature applications.